450噸龍門吊控制系統分析

廖銀飛

摘 要：本文主要介紹450T龍門吊控制系統，主要由S7-400PLC與S120多軸驅動器等西門子產品集成，實現各種工況下的運動控制。優化監控診斷功能，如大車糾偏、防撞、安全保護等，實現安全穩定節能環保目的

關鍵詞：S7400；120多軸驅動器；PROFIBUS；自動糾偏；防撞；監控系統

Analysis on Control System of 450T Gantry Crane

Liao yinfei

（ cosco （Guangdong） ship yard Co. Ltd， Dongguan 523146 ）

Abstract： This thesis discusses the control system of a 450T gantry crane integrating S7-400 PLC and S120 multi-axis driver along with other Siemens products and used for motion control under various working conditions. The monitoring and diagnosis functions were optimized including bias correction， collision prevention， safety protect and so on， achieving safe， stable， energy saving and environment-friendly operation.

Key words： S7400； sinamics s120； rpofibus； auto bias correction； collision prevention； monitoring system.

1 概述

在D區船臺建造一臺450t×186m 龍門吊，用于船體分段拼裝及分段翻身，具有升降、吊運、分段空中翻身和空中水平微量旋轉等功能。龍門吊跨度大、機構多、系統復雜，經全面科學的分析，采用成熟的新技術，保證450T龍門吊系統最優化、安全、高效和節能。

450 T龍門吊由上小車起升機構Ⅰ、Ⅱ，下小車主起升機構Ⅲ，副起升機構，上、下小車行走機構，大車行走機構和上小車鉤移機構組成。其控制系統采用最新技術S120多軸驅動系統與S7400 PLC和分布式I/O ET200M組成，主站和從站之間采用星型光纖連接，高壓電纜卷筒供電方式，整個系統由西門子產品系統集成。其單線圖和網絡圖如圖1、圖2所示。

驅動部分由一個LCM進線柜、一個BLM整流單元和8個逆變器組成，起升機構采用帶編碼器速度閉環矢量控制。S120控制單元CU320負責控制和協調整個驅動系統中的所有模塊，采用全新通訊技術DRIVE-CLiQ 構筑起傳動鏈接，完成各軸電流環、速度環的控制。基本型電源模塊BLM無回饋功能，通過接制動單元和制動電阻實現快速制動[1]，具有功率因數高、諧波分量小的優勢。S120多軸驅動系統運用scout軟件進行調試與維護，利用直觀連貫的功能圖、trace波形跟蹤，能有效實時監控參數的數據和電機的運行狀態。

SINAMICS S120是西門子推出的全新成熟的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅動控制系統，采用了集中的進線，模塊化設計，公共直流母線逆變，噪聲污染小，滿足節能環保要求，將取MASTERDRIVES 及SIMODRIVE 系列的驅動系統。

PLC 采用Siemens S7-400PLC系列產品，CPU選用443-1DP，配有Ethernet 網絡適配器，連接電氣房和司機室工控機。PLC 控制器與遠程I/OET200M之間采用PROFIBUS通信，上、下小車和大車剛、柔腿遠程I/O線路長，考慮抗干擾能力，通過光電轉換模塊OLM用光纖連接組成Profibus 通訊網，實現對遠程I/O和S120驅動系統通信控制要求以及監測與保護功能。PROFIBUS現場總線技術構成遠程分布式控制系統，能完成現場數據實時采集、遠程調度命令以及與數據通訊等功能。

2 自動糾偏系統

因剛、柔腿負載不同、電機參數差異和軌道等因素的存在，大車起動、制動及行走時會導致大梁偏斜。450 T龍門吊跨度186 M，糾偏是龍門吊制造的難點和重點。450 T龍門吊采用在剛柔腿從動輪各安裝一套HUEBNER絕對值編碼器檢測偏移量，增量型編碼器和感應磁塊做校正裝置，設置基準點，由PLC 運算計數，調整柔腿速度，實現同步，達到自動糾偏，在柔性鉸再輔助兩個FSG線形傳感器和極限糾偏限位，起多重保護作用。當剛、柔腿運行行程偏差達到起重機跨度的1‰（180 mm）時，開始自動進行糾偏。當起重機剛、柔腿兩側的運行行程偏差達到起重機跨度的2‰～3‰（350 mm～560 mm）時，大車降速糾偏，并發出相應的警示；當起重機剛、柔腿兩側的運行行程偏差大于起重機跨度的3‰（560 mm）時，大車自動停車，并在司機室發出報警信號。司機通過手動操作柔腿運行機構進行手動糾偏，消除偏差并查處誤差原因后恢復大車運行。

3 大車防撞系統

450 T龍門起重機與200 T龍門吊同軌道，作業時有相撞危險，我們采用設置兩套德國SICK公司DMT10-2-1211防撞保護裝置，防止事故保證起重機安全。其控制原理：當大車機構運行時，兩臺起重機距離≤設定安全距離S1時一個開關量的信號進PLC系統，此時控制兩臺起重機減速并發出聲光報警，提醒操作人員兩臺起重機已經接近。當兩臺起重機距離≤設定危險距離S2時停止，同時設置極限位，同時在監控系統上實時顯示兩臺龍門吊實際距離。防撞保護裝置不受天氣、環境和另—臺起重機是否在工作狀態的影響，保證兩臺起重機以最快的速度相接近時，能停止在安全距離以外。

4 安全保護及顯示

滿足分段抬吊翻身工況要求，各吊鉤設置有負荷顯示、超負荷保護和高度顯示。 上小車吊鉤I 和II 之間吊重差保護，其中某一吊環的載荷超過210 t 時或者兩個吊環的載荷差超過100 t 時只能下降，不能上升；二臺小車抬吊吊鉤I+II+III總負荷顯示和保護，上下小車的距離沒有限定，當總載荷超過472 t 時，只能下降，不能上升。而其中的一個吊鉤超負荷限制器動作時，禁止上下小車行走，只有將超負荷狀態排除后才能恢復全部功能。

5 監控系統

在司機室和電氣房系統分別配置1臺工控機、 Coro2 Duo T5500 1、66 GHz CPU、512 m RAM 80G 硬盤、17英寸TFT 彩顯，通過Ethernet 網絡適配器，采用TCP/IP 協議與PLC連接，實現基于Win CC 開發CMS對龍門起重機連續的實時監控，提供快速、詳細的故障記錄及報告，狀態監控和系統運行數據記錄，可以由連接的打印機打印。Simatic WinCC 是西門子公司基于PC的人機界面軟件，模塊化的結構[2]， 具有良好的開放性和靈活性， 是在生產自動化過程中解決可視化和控制任務的工業技術系統。其圖形顯示、信息歸檔和高速可靠的數據傳送功能不僅方便操作人員， 同時方便設備維護人員分析和解決故障。

另外配備完善的、高清晰度工業電視監控系統，整個系統共設有 8 部自動變焦攝像頭、4 部定焦攝像頭。攝像頭均為彩色。司機室內設有2 臺17”彩色平板監視器，可通過設在各處的攝像頭觀察吊車的運行情況。操作人員可通過控制鍵盤控制攝像裝置的變焦和旋轉以及監視畫面切換，可實現多畫面或單畫面顯示。配備數字硬盤錄像機，將視頻信號接進數字硬盤錄像機進行錄像，以備后續的查看。視頻信號傳輸距離較遠，所有監視器監控圖像通過光纖網絡傳至地面站。光纖是目前遠距離傳輸實時性最好的媒介，系統噪聲小、非線性失真小。另外抗干擾性能強，基本上不受外界溫度變化的影響，保證監控系統畫面質量以及視頻信號的穩定性。

6 龍門吊調試

有先進硬件保障，龍門吊調試和程序設計對安全穩定起到關鍵性的作用。不僅要實現基本的控制功能，還要滿足工況要求，保證安全運行。

（1）電氣糾偏取決于編碼器反饋值準確性，而編碼器在實際運行中不可避免存在打滑現象，會造成反饋值誤差并累積。行走機構絕對值編碼器沒有采用安裝在檢測輪的方式而是通過軟連接安裝在從動輪上，避開因軌道面高低和檢測輪自重問題的缺陷， 減少打滑等造成的誤差因數，再通過磁感應塊和增量型編碼器校準清零，不僅提高檢測精度和自動化程度，同時減輕司機疲勞度。手動糾偏把大于3%偏差信號聯鎖起來防止操作人員出現誤操作，把正車調成偏車。

（2）450 T龍門吊控制網絡采用西門子S7-400及分布式I/0系統，主站和從站之間采用PROFIBUS通信。通信網絡可能在運行過程中某處因某種原因而中斷，我們采用脈沖發送和接收判斷通信是否正常。如果某路通信異常，相應的機構立即安全停車，通信正常后恢復到初始安全狀態保證系統安全。光纖鏈路模塊由獨立電源供電，在硬件加于保證，減少干擾，提高系統穩定性。

（3） 大車應急停車為軟停車，防止大車運行中緊急停車導致傾覆，即必須在大車運行速度減到一定值后剎車才能抱閘，此功能在電氣控制程序和控制線路中實現，保證應急停車可靠穩定。

7 結束語

450 T龍門吊控制系統借助西門子先進技術，結合我司發展規劃和生產需求，使整個系統合理、安全、穩定，保證了系統先進性和環保節能。

參考文獻

[1] S120驅動器&伺服電機選型手冊， 2008.01

[2] SIMATIC WinCC 產品概覽